高大中庭天幕的參數(shù)化分析和互動性遮陽節(jié)能設(shè)計(jì)研究
——以湖南長沙LIVE 項(xiàng)目S2 地塊為例

汪洪 黃寬政 王巍翔 梁華卿 尹俊植

1 中國建筑科學(xué)研究院有限公司

2 五礦地產(chǎn)有限公司

3 中國核電工程有限公司

高密度的現(xiàn)代建筑與交通工具的快速發(fā)展，使很多開敞的公共空間備受交通污染與噪音的影響，逐漸失去了其作為人們共享、交往平臺的空間意義。為了營造一種既開敞、接近自然又能免受外部氣候影響的環(huán)境，建筑師越來越多地采用中庭這種特殊的空間形式[1]。

為了實(shí)現(xiàn)中庭空間的開敞性及近似自然光環(huán)境的效果，圍合中庭結(jié)構(gòu)的頂部通常由大面積透光性較好的玻璃構(gòu)成，導(dǎo)致其空調(diào)能耗與熱舒適問題十分突出。玻璃頂棚雖然保證了室內(nèi)良好的自然采光效果，但是由于太陽短波輻射經(jīng)過玻璃的大面積透射對中庭圍護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了加熱作用，而結(jié)構(gòu)表面的長波輻射進(jìn)入到室內(nèi)環(huán)境后在室內(nèi)積蓄從而產(chǎn)生溫室效應(yīng)[2]（圖1a）；同時(shí)隨著較高的中庭空間頂部空氣不斷地被太陽加熱，在垂直高度上形成空氣的密度差從而造成熱壓力差，形成中庭內(nèi)熱氣流的攀升，即煙囪效應(yīng)（圖1b）。

因此，高大中庭的溫度在垂直分布上梯度較大，熱空氣往往堆積在空間上方，造成中高層空間過熱及冷負(fù)荷較高的情況。而中庭空間的熱環(huán)境質(zhì)量不僅關(guān)乎中庭空間及其緊鄰空間的能耗情況，還直接影響空間使用者的舒適度及使用心情。所以，如何平衡這種高大中庭空間的通透性、節(jié)能效果與室內(nèi)熱舒適度，是建筑師與工程師需要共同面對和解決的難題。

為剖析對比高大中庭的日照情況及在不同措施下對節(jié)能與室內(nèi)熱環(huán)境的影響，以下將以湖南長沙LIVE項(xiàng)目S2地塊的高大中庭為例（圖2），對其環(huán)境性能進(jìn)行模擬分析。該項(xiàng)目為商業(yè)建筑，總建筑面積約10萬m2，由三層底層商業(yè)與兩棟辦公塔樓組成，是一棟集辦公、購物、休閑、娛樂、商務(wù)于一體的新型城市文化綜合體。

1 多環(huán)境性能的建筑參數(shù)化分析方法

1.1 模擬分析方法

建筑環(huán)境性能決定了建筑空間使用者的舒適度和滿意度，反映了建筑綜合設(shè)計(jì)水平，并長期影響著建筑的周邊環(huán)境及能源的消耗。建筑環(huán)境性能主要包括日照、采光、自然通風(fēng)、室外風(fēng)環(huán)境和熱舒適度等，在建筑設(shè)計(jì)初期就對其進(jìn)行預(yù)判與模擬分析，利用優(yōu)化設(shè)計(jì)解決分析中發(fā)現(xiàn)的問題，將會顯著減少建筑能源方面的浪費(fèi)[3]。如今，隨著人們對于建筑環(huán)境體驗(yàn)感、健康建筑環(huán)境的重視，以及計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力和人工智能的發(fā)展，建筑性能參數(shù)化分析的應(yīng)用越來越廣泛[4]，能夠?qū)崿F(xiàn)室內(nèi)外環(huán)境與建筑空間的緊密結(jié)合，完成各種當(dāng)?shù)貙?shí)時(shí)氣象參數(shù)的動態(tài)分析與數(shù)據(jù)的可視化顯示。

近些年來，以Rhino為3D可視化建模平臺發(fā)展的建筑多環(huán)境性能的參數(shù)化建模及模擬分析Grasshopper插件成為國內(nèi)外參數(shù)化建模軟件的主流[4]。Rhino、Grasshopper以及其他附屬插件解決了以往建模軟件與環(huán)境模擬軟件在幾何模型數(shù)字轉(zhuǎn)換方面的障礙，真正實(shí)現(xiàn)了參數(shù)化模型與軟件模擬結(jié)果的結(jié)合且直觀地反饋在建模平臺上[4]。本研究采用Ladybug等Grasshopper插件作為氣象、日照和熱環(huán)境模擬軟件，為后期的遮陽優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)（圖3）。

1 建筑中庭的溫室效應(yīng)（a）和煙囪效應(yīng)（b）

2 長沙LIVE 項(xiàng)目S2 地塊設(shè)計(jì)前期效果圖

3 模擬分析流程和軟件

4 建筑模型示意圖

5 Ladybug 應(yīng)用圖示

業(yè)主：湖南曠代房地產(chǎn)開發(fā)有限公司

建設(shè)地點(diǎn)：湖南省長沙市

建筑設(shè)計(jì)：Benoy 貝諾建筑設(shè)計(jì)事務(wù)所（香港）

項(xiàng)目負(fù)責(zé)人：黃寬政

節(jié)能與舒適性專項(xiàng)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)：中國建筑科學(xué)研究院EHS 中心

節(jié)能與舒適性專項(xiàng)設(shè)計(jì)負(fù)責(zé)人：汪洪

節(jié)能與舒適性專項(xiàng)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)成員：王巍翔、梁華卿、尹俊植

總建筑面積：175 583.33m2

項(xiàng)目狀態(tài)：施工圖設(shè)計(jì)中

設(shè)計(jì)時(shí)間：2019 年底至今

建成時(shí)間：2022 年（預(yù)計(jì)）

攝影/圖片：湖南曠代房地產(chǎn)開發(fā)有限公司、中國建筑科學(xué)研究院

1.2 參數(shù)化模擬軟件與參數(shù)設(shè)置

1.2.1 參數(shù)化建模軟件及三維可視化平臺

Rhino為參數(shù)化分析與交互設(shè)計(jì)提供了便捷的操作過程及模擬結(jié)果可視窗口；Grasshopper基于Rhino的平臺運(yùn)行，是自身有許多參數(shù)化建模工具并提供豐富插件接口的可視化編程語言，為Ladybug等內(nèi)置插件提供連通與共享建模平臺的可能，實(shí)現(xiàn)集參數(shù)化建模、氣象數(shù)據(jù)分析、建筑多性能模擬于一體[5]。

圖4展示了Rhino模型中庭玻璃頂棚（淺藍(lán)色部分）及周圍建筑的分布情況。

1.2.2 日照模擬分析

Ladybug是一款以Daysim與Radiance為計(jì)算核心的Grasshopper插件（圖5），能夠?qū)崿F(xiàn)多項(xiàng)氣象數(shù)據(jù)的分析與可視化，對建筑中庭的太陽軌跡、建筑日照陰影分布情況、日照小時(shí)數(shù)以及太陽輻射量進(jìn)行模擬分析[6]。不同于常見的其他分析軟件，Ladybug完全內(nèi)置于Rhino和Grasshopper中，擁有優(yōu)異的交互性與高效性，在Grasshopper參數(shù)化建模工具的輔助下，對氣象數(shù)據(jù)及建筑性能的分析可與模型的修改協(xié)同進(jìn)行，模擬結(jié)果還可直觀地在三維建筑模型上實(shí)時(shí)展示，大大提高模擬效率及美觀性[6]。

6 長沙市全年溫度數(shù)據(jù)

7 日照時(shí)長與太陽輻射模擬結(jié)果

8 長沙市夏至日太陽軌跡

9 夏至日不同時(shí)間點(diǎn)建筑自遮陽情況

表1 熱環(huán)境模擬參數(shù)設(shè)置

項(xiàng)目所處的湖南長沙屬于夏熱冬冷地區(qū)，夏季氣候炎熱，且冬夏兩季溫度與日照水平差別明顯。因此，為探討一年之中日照較強(qiáng)與極端的情況，選取夏季（6月1日—8月31日）與夏至日（6月22日）為本次日照模擬分析的主要時(shí)間。

1.2.3 熱環(huán)境模擬分析

本項(xiàng)目熱環(huán)境模擬軟件是一款內(nèi)置于Rhino的計(jì)算流體動力學(xué)的軟件插件程序，其溫度模擬計(jì)算功能在Rhino三維建模的基礎(chǔ)上，以官方天氣數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)模擬中庭內(nèi)部自然通風(fēng)與溫度分布情況，為建筑設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

本項(xiàng)目建筑中庭空間內(nèi)除了首層還有二層與三層的連廊，其距地高度分別為5.6m和11.2m?？紤]到中庭的兩種熱環(huán)境變化規(guī)律——溫室效應(yīng)及煙囪效應(yīng)，二層與三層的連廊可能呈現(xiàn)出與首層不同的溫度分布趨勢，故取這三個(gè)平面上方1.5m人行高度平面為數(shù)據(jù)截取平面，取夏至日下午2點(diǎn)為模擬時(shí)間，進(jìn)行數(shù)據(jù)整理與分析。

依據(jù)長沙市全年溫度數(shù)據(jù)對夏季熱環(huán)境模擬的室外溫度進(jìn)行取值（圖6）。在三維溫度分布圖中，黃色為長沙夏季平均溫度30℃且在下午2點(diǎn)最常出現(xiàn)，橙色則為較常出現(xiàn)的極端高溫溫度35℃。因此，選擇在這兩種工況下對白玻璃（遮陽系數(shù)SC值為0.8）、優(yōu)化遮陽系數(shù)后的玻璃（遮陽系數(shù)SC值為0.35及0.3）以及優(yōu)化傳熱系數(shù)的玻璃（傳熱系數(shù)K值為2.6、2.4及2.0）進(jìn)行模擬與數(shù)據(jù)對比分析（表1）。

2 優(yōu)化策略的模擬數(shù)據(jù)依據(jù)

2.1 中庭日照模擬結(jié)果與分析

根據(jù)長沙氣象參數(shù)，對長沙夏季及夏至日中庭玻璃頂棚日照情況進(jìn)行模擬分析。通過對比日照時(shí)長與太陽輻射的模擬結(jié)果（圖7），紅色虛線框選區(qū)域?yàn)椴Ａы斉镌诓煌M狀況下日照時(shí)長較長與太陽輻射較強(qiáng)的區(qū)域，可以發(fā)現(xiàn)受西側(cè)兩棟高樓遮擋的影響，頂棚中部與東部為日照最強(qiáng)的地方，應(yīng)著重考慮進(jìn)行優(yōu)化。

長沙所處緯度距離北回歸線較近，夏至日太陽高度角較高（圖8），并且一天之中日照時(shí)間較長。隨著太陽的移動，一天之中不同角度建筑本身對室內(nèi)空間會有一定程度的遮擋作用，如將建筑性能優(yōu)化與原本建筑設(shè)計(jì)的優(yōu)勢適當(dāng)結(jié)合，可以使后期的優(yōu)化策略起到事半功倍的效果。由圖9可以看出，從下午4點(diǎn)開始，建筑陰影才開始遮擋大面積的人員停留空間，即首層中庭地面及二層、三層連廊，因此優(yōu)化措施將主要針對商場營業(yè)時(shí)間即上午10點(diǎn)至下午4點(diǎn)的時(shí)間段。

2.2 中庭熱環(huán)境模擬結(jié)果與分析

10 不同工況下溫度模擬結(jié)果

表2 熱環(huán)境模擬溫度結(jié)果

圖10中6組彩色溫度分布圖突出體現(xiàn)了現(xiàn)有全玻璃頂棚對室內(nèi)溫度場分布均勻性的劣勢，因北半球太陽始終處于南側(cè)，并且下午2點(diǎn)時(shí)中庭西南側(cè)高樓僅對中庭空間產(chǎn)生小部分遮擋，略偏西斜的太陽在中庭東北角空間造成了局部高溫的狀況，并且伴隨著室外溫度的升高，局部高溫區(qū)域的室內(nèi)外溫差更加顯著。然而人體體表溫度受風(fēng)速的影響，在長沙西南夏季風(fēng)的影響下，南側(cè)與東側(cè)出入口產(chǎn)生局部的穿堂風(fēng)，帶走了大量的熱量，形成局部涼爽的效果。

表2中記錄了6組以單一變量為原則進(jìn)行的不同遮陽系數(shù)、傳熱系數(shù)中庭玻璃所產(chǎn)生熱環(huán)境的模擬實(shí)驗(yàn)，從中可得出幾點(diǎn)溫度變化規(guī)律。

（1）首層受人員負(fù)荷的影響溫度略高；然而隨著高度攀升，空間熱環(huán)境逐漸受到玻璃熱輻射的影響，在上層空間產(chǎn)生高溫空氣堆積的情況。綜合來看，二層連廊的溫度在這三層模擬平面中最為適宜。

（2）通過對比室外溫度35℃、30℃以及24℃的溫度模擬數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，室外溫度越高，室內(nèi)溫室效應(yīng)與煙囪效應(yīng)越明顯。35℃時(shí)，室內(nèi)外溫差可達(dá)3℃左右，垂直溫升可達(dá)1℃。

（3）通過對照組1和2、3和4可得，遮陽系數(shù)的優(yōu)化可減少太陽輻射對中庭熱環(huán)境的影響，改善夏季過熱的環(huán)境狀況，使同對照高度平面的溫度降低約0.2～1℃；

（4）由對照組4和5可得，傳熱系數(shù)的優(yōu)化對中庭中下層空間的影響不明顯，對頂層空間稍有影響。

3 建筑中庭的節(jié)能優(yōu)化策略

3.1 建筑遮陽

遮陽是提高節(jié)能性能、改善室內(nèi)環(huán)境的有效途徑，分為內(nèi)遮陽和外遮陽兩種。日照通過窗戶進(jìn)入室內(nèi)的能量為80%[10]，從節(jié)能的角度來說，外遮陽能夠有效避免陽光透過玻璃直射進(jìn)入室內(nèi)，防止陽光過分直射和加熱建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，從而降低帶入室內(nèi)的熱量，減少室內(nèi)負(fù)荷與空調(diào)的用電量。研究數(shù)據(jù)顯示，采用外遮陽措施可為建筑減少10%～24%的總能耗[11]，并且在不開啟空調(diào)的條件下，相比不用外遮陽的房間，有外遮陽的房間室內(nèi)溫度平均下降8℃[10]。從光環(huán)境與熱環(huán)境的角度來說，無論是內(nèi)、外遮陽都能夠有效防止眩光，改善人的體表熱感受[11]。

結(jié)合項(xiàng)目中庭空間的高能耗產(chǎn)生原因、設(shè)計(jì)特點(diǎn)及措施的整體成本考慮，采用建筑遮陽系統(tǒng)作為長沙LIVE項(xiàng)目主要的節(jié)能優(yōu)化策略。

11 被動式遮陽設(shè)計(jì)策略示意圖

12 數(shù)字化互動式遮陽

13 長沙LIVE 項(xiàng)目S2 地塊設(shè)計(jì)后期效果圖

3.2 被動式遮陽設(shè)計(jì)策略

通過3.1節(jié)中對比不同日照分析情況下的相似性與規(guī)律性，取其重疊的部分作為最有必要設(shè)置遮陽的范圍（圖11a）。其中黃色陰影區(qū)域?yàn)槿照招r(shí)數(shù)和太陽輻射量普遍較高的區(qū)域，采用遮陽系數(shù)為0.3的彩釉玻璃；橙色陰影區(qū)域?yàn)檩椛淞考叭照諘r(shí)長分布最集中且數(shù)值最高的區(qū)域，采用非透明設(shè)計(jì)，如鋁板；其余區(qū)域采用遮陽系數(shù)為0.35的Low-E玻璃。為保證遮陽設(shè)計(jì)滿足室內(nèi)熱環(huán)境性能的整體需求，鋁板采用雙層鋁板+保溫棉的形式，其與玻璃傳熱系數(shù)分別為0.85W/（m2·K）與1.8W/（m2·K）。

結(jié)合二層與三層連廊的遮陽需求以及設(shè)計(jì)的完整性與美觀性，對玻璃頂棚邊緣區(qū)域進(jìn)行科學(xué)的遮陽布置（圖11b）。根據(jù)太陽高度角及建筑的自遮陽情況，夏至日中庭建筑可在南側(cè)頂層長廊形成約2.6m的陰影，長廊余下的區(qū)域則需由頂棚南側(cè)邊緣提供遮陽，最終形成圖11c的建議設(shè)計(jì)效果。

3.3 主動式數(shù)字化互動遮陽設(shè)計(jì)策略

建筑中庭作為公共建筑中人員最集中、最有利于打造品牌設(shè)計(jì)特色和文化的建筑空間，遮陽系統(tǒng)除了解決基礎(chǔ)的采光和能耗問題之外，其設(shè)計(jì)也應(yīng)呼應(yīng)公共空間設(shè)計(jì)理念，實(shí)現(xiàn)生動性與獨(dú)特性。在現(xiàn)代智能化與可持續(xù)建筑技術(shù)發(fā)展的大環(huán)境下，數(shù)字化互動設(shè)計(jì)給建筑帶來了更加豐富的可能性，打破了原有傳統(tǒng)遮陽“靜止”的狀態(tài)，可以滿足設(shè)計(jì)過程中建筑遮陽等建筑構(gòu)件的動態(tài)變化需求，能夠根據(jù)天氣、季節(jié)與時(shí)間自動進(jìn)行調(diào)整，更充分地發(fā)揮遮陽在節(jié)能、改善室內(nèi)熱舒適與視覺舒適度上的優(yōu)異效果。

以軟織物為主要制作材質(zhì)的內(nèi)遮陽相比于外遮陽，更容易滿足數(shù)字化互動式遮陽的多變化性與藝術(shù)性，以及遮陽單元變化時(shí)對材料張力的要求，同時(shí)也無需考慮室外天氣環(huán)境，如風(fēng)負(fù)荷對材料壽命及變化形式的影響。參考陜西省科技資源中心的互動遮陽設(shè)計(jì)[12]（圖12），對長沙LIVE項(xiàng)目進(jìn)行傘狀開合式與板狀線性兩種形式的主動式遮陽設(shè)計(jì)。整套系統(tǒng)在中庭屋頂外側(cè)設(shè)置傳感器，實(shí)時(shí)采集天氣信息，傳送給軟件系統(tǒng)對太陽輻射、溫度等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析，再將處理好的天氣信息結(jié)合數(shù)字化建模軟件（如Grasshopper）形成數(shù)字信號指令，傳遞給控制系統(tǒng)控制電機(jī)驅(qū)動遮陽構(gòu)件角度或面積的精準(zhǔn)變化[13]，從而實(shí)現(xiàn)遮陽系統(tǒng)對天氣變化的實(shí)時(shí)追蹤與互動，使遮陽系統(tǒng)全天候更加智能與精準(zhǔn)地完成互動遮陽的效果。在設(shè)計(jì)美觀方面，通過結(jié)合智能控制系統(tǒng)與中庭設(shè)計(jì)理念，中庭遮陽系統(tǒng)可隨太陽輻射強(qiáng)度或溫度變化自動變化圖案，創(chuàng)造出豐富的光影效果，為中庭空間營造靈動、引人入勝的氛圍。

然而主動式遮陽方式也存在缺點(diǎn)，與被動式遮陽方式相比，其電機(jī)、控制系統(tǒng)、遮陽構(gòu)造及材質(zhì)更為繁瑣，造價(jià)更高，傘狀開合式與板狀線性式兩種主動遮陽方式的造價(jià)分別約為2 200元/m2與1 600元/m2，并且內(nèi)遮陽的安裝與運(yùn)營期間的定期維修多需要設(shè)計(jì)檢修通道。

3.4 節(jié)能優(yōu)化策略的優(yōu)化效果

在綜合對比分析了主動式與被動式遮陽方案之后，本項(xiàng)目最終選擇了被動式遮陽設(shè)計(jì)策略進(jìn)行深化。經(jīng)過與建筑、幕墻專業(yè)溝通后進(jìn)一步對方案進(jìn)行改善，最終形成如圖13的設(shè)計(jì)效果。

通過對優(yōu)化前后頂棚全部采用遮陽系數(shù)為0.35、傳熱系數(shù)為2.4W/（m2·K）玻璃的工況模擬溫度分布圖進(jìn)行比較（圖14），明顯可見優(yōu)化后的頂棚構(gòu)造不僅可以使室內(nèi)溫度降低1.8℃，還有效地解決了局部高溫的狀況，使溫度分布更加均勻；并且優(yōu)化后煙囪效應(yīng)得到有力削弱，垂直高度的溫升大大減小。

14 優(yōu)化前后不同工況溫度模擬結(jié)果

整體比較不同溫度下優(yōu)化前后的溫度差值，可以發(fā)現(xiàn)室外溫度越高時(shí)，優(yōu)化后降溫效果越顯著。

4 結(jié)語

本項(xiàng)目的建筑性能模擬分析整體展現(xiàn)了長沙夏季太陽輻射較強(qiáng)、室內(nèi)溫升明顯的現(xiàn)狀。以建筑性能參數(shù)化分析為基礎(chǔ)的遮陽優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)合了科學(xué)的氣象與環(huán)境模擬分析，較大程度上克服了傳統(tǒng)遮陽設(shè)計(jì)的單一性，能夠更準(zhǔn)確地應(yīng)對天氣、季節(jié)的變化。經(jīng)過遮陽系數(shù)與遮陽位置優(yōu)化的頂棚構(gòu)造對于改善中庭的溫室效應(yīng)及煙囪效應(yīng)有顯著效果，能夠使同高度平面上的平均溫度降低0.2～1℃，垂直溫升降低約0.4℃。但同時(shí)研究也發(fā)現(xiàn)，遮陽材質(zhì)傳熱系數(shù)的優(yōu)化對于高大中庭熱環(huán)境的影響甚微。

考慮到中庭空間的設(shè)計(jì)獨(dú)特性，本研究也對數(shù)字化互動遮陽進(jìn)行了探索。相較于“靜止”的被動式遮陽，以室外環(huán)境參數(shù)為動力、以數(shù)字化為媒介、以智能控制系統(tǒng)為核心的主動式遮陽系統(tǒng)可以最大程度地發(fā)揮其對光源的利用率。然而其成本增量以及對安裝、維修的較高要求，阻礙了主動式遮陽的普及。

參數(shù)化環(huán)境性能分析的應(yīng)用，不僅能夠更好地在設(shè)計(jì)初期將環(huán)境性能分析融入到建筑設(shè)計(jì)中，協(xié)調(diào)二者之間的關(guān)系，更推動了以建筑性能、人員健康舒適為關(guān)注重點(diǎn)的建筑發(fā)展趨勢，使建筑在滿足功能的同時(shí)，也能為人們提供更好的使用體驗(yàn)。